KR20200038358A - 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템 - Google Patents

태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 제공한다. 이와 같은 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템은 대형화가 어려운 스탠드식 수직축 풍력발전기의 한계를 극복하여 상하 직렬연결된 소형 수직축 풍력발전기를 비행선의 하부에 복수열로 장착시켜 수직축 풍력발전기에 의한 대용량 풍력발전이 가능해지도록 하고, 수직축 풍력발전기를 장착한 비행선 주변 공기유동 변동에 의한 전후방향 움직임으로부터도 전력생산이 이루어지도록 함으로써 발전형태의 다양화와 발전량의 증대가 도모되도록 한다.

Description

태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템{Airship for hybrid power generation of sunlight & wind and combined power generation system based on airship for hybrid power generation of sunlight & wind}
본 발명은 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 대형화가 어려운 스탠드식 수직축 풍력발전기의 한계를 극복하여 상하 직렬연결된 소형 수직축 풍력발전기를 비행선의 하부에 복수열로 장착시켜 수직축 풍력발전기에 의한 대용량 풍력발전이 가능해지도록 하고, 수직축 풍력발전기를 장착한 비행선 주변 공기유동 변동에 의한 전후방향 움직임으로부터도 전력생산이 이루어지도록 함으로써 발전형태의 다양화와 발전량의 증대가 도모되도록 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템에 관한 것이다.
풍력발전기는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치로서, 수평축 풍력발전기(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전기(vertical axis wind turbine)로 구분된다.
수평축 풍력발전기는 수평축을 이용하는 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의 양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하여 발전 효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다. 또한 수평축을 이용하는 경우는 로터의 축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 위치하게 되므로 높은 곳에 위치한 로터축과 발전기를 연결하기 위해서는 발전기를 로터축과 같은 높이에 설치하여 발전기의 회전축과 로터의 회전축을 거의 동일한 위치에 설치하거나, 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결을 한다. 이 경우 전자의 경우에는 강한 바람에 의해 기구적인 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지, 보수가 용이하지 않다는 문제점이 있으며, 후자의 경우에는 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 과정에서 에너지의 손실이 일어난다.
수직축 풍력발전기는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스식(Darrius Rotor)과 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식(Savonius Rotor)이 있으나 다리우스식의 경우 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식의 경우 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.
여기서 수직축 풍력발전기는 지면과 같은 설치면에 고정되는 스탠드(stand) 식으로 구현되는 것이 일반적인데, 수직축 풍력발전기를 대형화하기 위하여 수직축을 높이 올리고 대형 블레이드(blade)를 사용할 경우 고정구조 상 강풍 등의 외력에 의해 쓰러지거나 수직축이 변형/파손될 가능성이 높아진다. 이를 방지하기 위해서는 추가적인 지지구조를 적용시켜야 하는데, 이 경우 설치비용이 증대되고 설치과정에 번거로움과 어려움이 따르는 문제점이 있다.
한편 소형 수직축 풍력발전기를 상하 적층하여 높게 쌓아 올리거나, 수직으로 세워진 다단 프레임에 소형 수직축 풍력발전기를 각각 배치시키는 방식으로 수직축 풍력발전기를 대형화시키는 기술이 제안되어 있으며, 이와 관련하여 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1239625호 "다단 적층식 수직축 풍력발전장치", 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0002806호 "다단 풍력발전장치" 등이 안출되어 있다.
그러나 상하 적층식 수직축 풍력발전기나 다단 프레임 내부배치식 수직축 풍력발전기도 지면과 같은 설치면에 고정되는 스탠드(stand) 식으로 구현되는 것이어서 공간과 지형적인 제약이 뒤따르는 한편 강풍 등의 외력에 의해 쓰러지거나 추가적인 지지구조를 적용시켜야 하는 수직축 풍력발전기의 단점을 여전히 안고 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1239625호 "다단 적층식 수직축 풍력발전장치" 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0002806호 "다단 풍력발전장치"
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 소형 수직축 풍력발전기를 상하 직렬연결시키고, 최상단의 소형 수직축 풍력발전기를 비행선의 하부에 고정시키는 구조를 제공함으로써 수직축 풍력발전기에 의한 대용량 풍력발전이 안정되고 원활하게 수행될 수 있는 새로운 형태의 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상하 직렬연결된 소형 수직축 풍력발전기를 복수열로 비행선의 하부에 장착시키거나, 복수의 비행선 하부에 상하 직렬연결된 소형 수직축 풍력발전기를 복수열로 장착시키는 수직축 풍력발전기의 확장 배치가 가능한 구조를 제공함으로써 풍력발전 용량을 필요한 만큼 확대시킬 수 있는 새로운 형태의 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명은 비행선을 해상플랫폼에 연결시키는 전력선 겸용 연결케이블이 감겨져 회전하게 되는 회전원통 구조의 보조 발전장치가 해상플랫폼에 설치됨으로써 수직축 풍력발전기를 장착한 비행선 주변의 공기유동 변동에 의한 비행선의 전후방향 움직임으로부터도 전력생산이 이루어져 발전형태의 다양화와 발전량의 증대가 도모될 수 있는 새로운 형태의 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 상공에 위치하고, 태양광이 조사되는 상부면이 태양광발전 주영역(111)을 이루는 한편 하부면이 풍력 발전영역(112)을 이루는 비행선 선체(110); 상기 비행선 선체(110)의 태양광발전 주영역(111)에 배치되어 태양광발전을 수행하는 솔라셀 모듈(120); 및 상기 풍력 발전영역(112)에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 포함하여 풍력발전을 수행하되, 상기 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어지는 풍력발전 모듈(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선에서 상기 수직축 풍력발전기(150)는, 중공(中空) 단면의 축으로 수직 배치되는 수직회전축(151); 상단에 축홈(1521)이 형성되어 상기 수직회전축(151)의 하단 부위가 상기 축홈(1521)에 삽입되도록 하고, 상기 수직회전축(151)의 회전에 따라 발전 전력을 생성시키며, 상단 부위보다 작은 크기의 하단 부위가 축연결단(1522)으로 이루어져 상기 하단 부위에 연결되는 수직축 풍력발전기(150)의 수직회전축(151)에 상기 축연결단(1522)이 삽입되도록 발전기(152); 및 상기 수직회전축(151)에 방사상으로 연결되는 복수의 블레이드(153);를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선에서 상기 풍력발전 모듈(130)은, 수평하게 배치되고, 서로 이웃하는 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 각각 연결시키는 복수의 연결체(160)를 더 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 상공에 위치하고, 좌우 측방향으로 서로 이웃하여 배치되는 복수의 비행선 선체(110); 복수의 비행선 선체(110) 상부면 전체 부위를 뒤덮게 되고, 태양광발전을 수행하는 솔라셀 패널 루프(200); 복수의 비행선 선체(110) 하부면에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 포함하여 풍력발전을 수행하되, 상기 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어지는 풍력발전 모듈(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 제공한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 특징에 의하면, 본 발명은 상공에 위치하고, 태양광이 조사되는 상부면이 태양광발전 주영역(111)을 이루는 한편 하부면이 풍력 발전영역(112)을 이루는 비행선 선체(110); 상기 비행선 선체(110)의 태양광발전 주영역(111)에 배치되어 태양광발전을 수행하는 솔라셀 모듈(120); 상기 풍력 발전영역(112)에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 포함하여 풍력발전을 수행하되, 상기 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어지는 풍력발전 모듈(130); 해상에 위치하고, 전력 저장장치(310)가 설치되는 해상플랫폼(300); 및 상기 해상플랫폼(300)과 비행선 선체(110)를 연결시키고, 상기 솔라셀 모듈(120)과 풍력발전 모듈(130)로부터 생성되는 발전 전력을 상기 해상플랫폼(300)의 전력 저장장치(310)로 전달하는 전력선 겸용 연결케이블(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템에서 상기 해상플랫폼(300)은, 상기 전력선 겸용 연결케이블(400)과 일체로 연결되고, 중량물(340)이 끝단에 결합되어 수중으로 투입되며, 바람에 의한 상기 비행선(100)의 길이방향 전후진에 대응하여 수중에서 상하이동하는 중량물 연결케이블(330); 및 상기 해상플랫폼(300)에 배치되고, 상기 전력선 겸용 연결케이블(400)과 중량물 연결케이블(330)이 감겨져 상기 전력선 겸용 연결케이블(400)과 중량물 연결케이블(330)의 움직임에 따라 회전운동하면서 발전을 수행하는 보조 발전장치(350);를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템에서 상기 비행선 선체(110)의 상부면에 이격 배치되어 상기 비행선 선체(110)에 최대 풍압이 부여되도록 하거나 최소 풍압이 부여되도록 하는 복수개의 구형 돛(170)을 더 포함하되, 상기 구형 돛(170)은 설정영역이 요입되어 최대 풍압을 받는 요입면(171)을 갖는 구형상으로 이루어지고, 상기 비행선 선체(110)의 상부면에 회전가능하게 고정되며, 정회전시 상기 요입면(171)이 상기 비행선 선체(110) 상부면 전방을 향하도록 배치되어 최대 풍압을 받게 되는 한편 역회전시 상기 요입면(171)이 상기 비행선 선체(110)의 상부면 하측 내부공간으로 삽입되도록 배치되어 최소 풍압을 받게 될 수 있다.
본 발명에 의한 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템에 의하면, 수직축 풍력발전기에 의한 대용량 풍력발전이 안정되고 원활하게 수행되는 효과가 있다. 특히 본 발명은 상하 직렬연결된 소형 수직축 풍력발전기를 복수열로 비행선의 하부에 장착시키거나, 복수의 비행선 하부에 상하 직렬연결된 소형 수직축 풍력발전기를 복수열로 장착시키는 수직축 풍력발전기 확장배치를 통해 풍력발전 용량을 필요한 만큼 확대시킬 수 있는 효과가 있다. 그리고 본 발명에 의한 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템에 의하면, 수직축 풍력발전기를 장착한 비행선 주변의 공기유동 변동에 의한 비행선의 전후방향 움직임으로부터도 전력생산이 이루어져 발전형태의 다양화와 발전량의 증대가 도모되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 측면도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 정면도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 평면도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 저면도;
도 5와 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 수직축 풍력발전기 조립체가 연결체에 의해 연결된 구성을 보여주기 위한 도면;
도 7과 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 구성과 조립구조를 보여주기 위한 도면;
도 9와 도 10은 복수의 비행선 선체를 구비하는 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 보여주기 위한 도면;
도 11과 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템의 구성을 보여주기 위한 도면;
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 이루는 보조 발전장치의 예시도;
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템의 비행선 선체에 구형 돛이 배치되는 것을 보여주기 위한 도면;
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 구형 돛의 예시도;
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 이루는 제1리미트 스위치와 제2리미트 스위치에 의해 구형 돛이 제어되는 구성을 보여주기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 16에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 비행선, 솔라셀, 태양광 발전, 풍력 발전, 풍력발전기, 수직축 풍력발전기, 형상기억합금, 판 스프링, 해상플랫폼, 전력 저장장치, 연결케이블, 발전장치, 리미트 스위치 등으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 측면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 정면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 저면도이다. 도 5와 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선의 수직축 풍력발전기 조립체가 연결체에 의해 연결된 구성을 보여주기 위한 도면이고, 도 7과 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 구성과 조립구조를 보여주기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선(100)은 비행선 선체(110), 솔라셀 모듈(120), 풍력발전 모듈(130)을 포함하는 구성으로 이루어진다.
비행선 선체(110)는 부력에 의해 부양되어 상공에 위치하는 것으로, 태양광이 조사되는 상부면이 태양광발전 주영역(111)을 이루는 한편 하부면이 풍력 발전영역(112)을 이루게 된다. 여기서 비행선 선체(110)는 이동이 제한되어 상공의 특정지점에 정위치될 수도 있고, 설정영역 내에서 움직이는 구조를 가질 수도 있다. 또한 비행선 선체(110)는 대형 크기로 제작된 것이 사용될 수 있다. 그리고 비행선 선체(110)는 부력의 조절과 길이조절되는 연결케이블에 고정되는 구조를 통해 비행 높이조절이 가능하게 하는 구성을 가지는데, 이에 따라 풍력발전에 유리한 바람이 부는 고도 상에 비행선 선체(110)를 올릴 수 있다. 또한 비행선 선체(110)는 도 1과 도 2에서와 같이 길이방향 끝단 부위 상부면에 수직날개를 구비하여 바람방향에 따라 움직이는 구조를 가짐으로써 바람방향에 따라 움직이며 균일한 방향의 바람을 지속적으로 받을 수 있게 된다.
여기서 도 2에서와 같이 단독의 비행선 선체(110)를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선(100)은 저용량의 전력생산이 요구되는 곳에 설치될 수 있는데, 섬, 오지 등 전력수급이 원활하지 않는 곳이나 수소가스 생산설비가 설치된 곳에 적용될 수 있다. 육지 상공에 비행선 선체(110)를 띄울 경우, 불활성 기체인 헬륨을 비행선 선체(110) 내부에 채워 부력을 발생시키는 것이 바람직하다.
솔라셀 모듈(120)은 도 1과 도 2에서와 같이 비행선 선체(110)의 태양광발전 주영역(111)에 배치되어 태양광발전을 수행하는 모듈이고, 풍력발전 모듈(130)은 풍력 발전영역(112)에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 포함하여 풍력발전을 수행하는 모듈이다. 여기서 본 발명의 실시예에 따른 비행선 선체(110)는 대형 크기로 제작된 것임에 따라 비행선 선체(110) 표면 주위를 흐르는 기체가 압축되어 에너지가 증가하므로, 비행선 선체(110)에 고정되는 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 좀더 많은 양질의 풍력을 받을 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선(100)은 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)가 이격 배치되어 해파리처럼 내려뜨려진 형상으로 풍력발전 모듈(130)을 구성한다. 여기서 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 도 1과 도 2에서와 같이 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어진다. 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140) 중 최상단 수직축 풍력발전기(150)가 풍력 발전영역(112)인 비행선 선체(110)의 하부면에 고정되어 상공에 매달리는 구조임에 따라 스탠드식 수직축 풍력발전기와 달리 강풍 등에 의해 쓰러지지 않고 안정되게 고정된 상태를 유지할 수 있게 된다.
한편 풍력발전 모듈(130)을 이루는 복수의 수직축 풍력발전기(150)는 도 3에서와 같이 태양광발전 주영역(111)에 설정패턴으로 배치될 수도 있다. 태양광발전 주영역(111)에 배치되는 수직축 풍력발전기(150)는 소형 크기 또는 중형 크기로 제작된 것이 사용될 수 있다.
여기서 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전 모듈(130)은 도 4에서와 같이 좌우 측방향으로 일렬을 이루면서 이격 배치되는 수직축 풍력발전기 조립체 단위열이 전후 길이방향으로 복수열로 배치되도록 하는데, 전후 길이방향으로 서로 이웃하는 한쌍의 수직축 풍력발전기 조립체 단위열을 이루는 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 지그재그 패턴으로 배열되는 것이 바람직하다. 이는 풍력에 의해 흔들리게 되는 수직축 풍력발전기 조립체(140) 간 간섭을 방지하고, 각각의 수직축 풍력발전기 조립체(140) 부근에서의 공기유동의 불규칙성을 최소화함으로써 발전효율의 증대와 장치안정성의 향상을 도모하기 위함이다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전 모듈(130)은 도 5와 도 6에서와 같이 복수의 연결체(160)를 구비하는데, 복수의 연결체(160)는 서로 이웃하는 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 각각 연결시키는 것으로, 각 연결체(160)는 수평하게 배치된다. 특히 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 구성하는 각각의 수직축 풍력발전기(150)가 도 5에서와 같이 연결체(160)를 통해 이웃하는 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 구성하는 각각의 수직축 풍력발전기(150)와 연결될 수 있다. 이와 같은 연결체(160)는 서로 이웃하는 수직축 풍력발전기 조립체(140)가 설정간격을 유지하도록 하는 것으로, 이를 통해 불균일하고 3차원 공간좌표 상의 여러 방향으로 동시적으로 불어오는 바람에 의한 수직축 풍력발전기 조립체(140) 간 충돌이 방지될 수 있게 된다. 또한 별도의 자세제어장치나 추가적인 지지장치를 구비할 필요없이 단순구조의 연결체(160)만으로도 강풍 조건에서도 전력생산을 안정적으로 할 수 있게 된다.
여기서 본 발명의 실시예에 따른 연결체(160)는 도 6에서와 같이 양단 고정구(161)와 판 스프링(162)으로 이루어진다.
양단 고정구(161)는 측방향으로 서로 이웃하는 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 구성하는 수직축 풍력발전기(150)의 발전기(152) 외주면에 각각 고정되는 것이다. 이와 같은 양단 고정구(161)는 원통체 형상으로 이루어져 수직축 풍력발전기(150)의 발전기(152) 외주면에 용접결합될 수 있다. 이와 달리 양단 고정구(161)는 원형 링 형상으로 이루어져 수직축 풍력발전기(150)의 발전기(152) 외주면으로 끼움고정될 수도 있다.
판 스프링(162)은 양단 고정구(161) 사이에 배치되는 것으로, 형상기억합금 재질로 이루어질 수 있다. 이를 통해 풍력이 수직축 풍력발전기(150)에 작용할 시 탄성변형을 통해 연결체(160)의 손상이나 파손이 방지되는 한편, 지속적으로 기본 형상패턴을 유지함으로써 서로 이웃하는 수직축 풍력발전기 조립체(140)가 이격 배치되는 상태를 지속적으로 유지할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기(150)는 도 7과 도 8에서와 같이 수직회전축(151), 발전기(152), 복수의 블레이드(153)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
수직회전축(151)은 중공(中空) 단면의 축으로서, 수직 배치된다.
발전기(152)는 수직회전축(151)의 회전에 따라 발전 전력을 생성시키는 것으로, 상단에 축홈(1521)이 형성되어 수직회전축(151)의 하단 부위가 축홈(1521)에 삽입된다. 여기서 수직회전축(151)의 하단 부위는 베어링을 매개로 발전기(152)의 축홈(1521)에 삽입되어 수직회전축(151)의 회전시 마찰이 최소화되도록 한다. 또한 수직회전축(151)의 축홈(1521)에 고정된 상태에서 360°전방향으로 회전할 수 있게 된다. 그리고 축홈(1521) 둘레를 따라 발전기(152)의 스테이터가 배치되어 수직회전축(151)의 회전시 발전이 이루어지도록 한다. 또한 발전기(152)는 상단 부위보다 작은 크기의 하단 부위가 축연결단(1522)으로 이루도록 하는데, 발전기(152)의 하단 부위에 연결되는 또다른 수직축 풍력발전기(150)의 수직회전축(151)에 축연결단(1522)이 삽입된다.
복수의 블레이드(153)는 수직회전축(151)에 방사상으로 연결되는 것으로, 풍력을 받는 복수의 블레이드(153)에 의해 수직회전축(151)의 회전이 유도된다.
이와 같은 수직축 풍력발전기(150)는 중량의 대부분을 차지하는 발전기(152)가 하부에 배치됨에 따라 무게중심이 하부 지점에 형성되어 흔들림이 최소화되고, 구조적 안정성을 가지게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선은 소형 수직축 풍력발전기(150)를 상하 직렬연결시키고, 최상단의 소형 수직축 풍력발전기(150)를 비행선 선체(110)의 하부에 고정시키는 구조를 제공하므로, 수직축 풍력발전기(150)에 의한 대용량 풍력발전이 안정되고 원활하게 수행될 수 있게 된다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선은 상하 직렬연결된 소형 수직축 풍력발전기(150)를 복수열로 비행선 선체(110)의 하부에 장착시키는 수직축 풍력발전기(150)의 확장 배치가 가능한 구조를 제공하므로, 풍력발전 용량을 필요한 만큼 확대시킬 수 있게 된다.
도 9와 도 10은 복수의 비행선 선체를 구비하는 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 보여주기 위한 도면이다.
도 9와 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템은 복수의 비행선 선체(110), 솔라셀 패널 루프(200), 풍력발전 모듈(130)을 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
복수의 비행선 선체(110)는 상공에 좌우 측방향으로 서로 이웃하여 배치된다.
솔라셀 패널 루프(200)는 복수의 비행선 선체(110) 상부면 전체 부위를 뒤덮게 되는 것으로, 태양광발전을 수행한다. 여기서 본 발명의 실시예에 따른 솔라셀 패널 루프(200)는 루프 전면체(210), 루프 후면체(220), 루프 측면체(230), 루프 상면체(240)로 이루어질 수 있다. 루프 전면체(210), 루프 후면체(220), 루프 측면체(230), 루프 상면체(240)는 각각 곡면체로 된 복수의 솔라셀 곡면패널(250)이 연결되어 구성된다.
루프 전면체(210)는 복수의 비행선 선체(110)의 길이방향 선단에 수직으로 배치되어 전면 부위를 이루는 것이고, 루프 후면체(220)는 복수의 비행선 선체(110)의 길이방향 후단에 수직으로 배치되어 후면 부위를 이루는 것이다. 루프 측면체(230)는 좌우측 최외각에 배치된 비행선 선체(110)의 측면 부위에 경사지게 배치되어 좌우측면 부위를 이루는 것이고, 루프 상면체(240)는 루프 전면체(210), 루프 후면체(220), 루프 측면체(230) 사이에 배치되어 상면 부위를 이루는 것이다.
풍력발전 모듈(130)은 복수의 비행선 선체(110) 하부면에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 포함하여 풍력발전을 수행하는 것으로, 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어진다. 여기서 풍력발전 모듈(130)은 솔라셀 패널 루프(200)의 상부면에 설정패턴으로 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)를 추가적으로 구비하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템은 복수의 비행선 선체(110) 하부에 상하 직렬연결된 소형 수직축 풍력발전기(150)를 복수열로 장착시키는 수직축 풍력발전기(150)의 확장 배치가 가능한 구조를 제공하므로, 풍력발전 용량을 필요한 만큼 확대시킬 수 있게 된다.
도 11과 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템의 구성을 보여주기 위한 도면이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 이루는 보조 발전장치의 예시도이며, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템의 비행선 선체에 구형 돛이 배치되는 것을 보여주기 위한 도면이다. 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 구형 돛의 예시도이고, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 이루는 제1리미트 스위치와 제2리미트 스위치에 의해 구형 돛이 제어되는 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 11 내지 도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템은 비행선 선체(110), 솔라셀 모듈(120), 풍력발전 모듈(130), 해상플랫폼(300), 전력선 겸용 연결케이블(400)을 포함하는 구성으로 이루어진다.
비행선 선체(110)는 도 11에서와 같이 상공에 위치하는 것으로, 태양광이 조사되는 상부면이 태양광발전 주영역(111)을 이루는 한편 하부면이 풍력 발전영역(112)을 이루게 된다. 여기서 복수의 비행선 선체(110)가 좌우 측방향으로 서로 이웃하여 배치되고, 복수의 비행선 선체(110) 상부면 전체 부위를 솔라셀 패널 루프(200)가 뒤덮게 될 수 있다. 솔라셀 패널 루프(200)는 태양광발전을 수행하는 것으로, 솔라셀 모듈(120)은 솔라셀 패널 루프(200)의 구성요소가 된다. 여기서 솔라셀 모듈(120)은 비행선 선체(110)의 태양광발전 주영역(111)에 배치되어 태양광발전을 수행하는 것이다.
여기서 본 발명의 실시예에 따른 비행선 선체(110)는 본 출원인에 의해 출원된 등록특허공보 등록번호 제10-1716487호 "이중 튜브 구조의 비행선 및 그를 이용한 전기에너지 공급 및 수소 가스 운송시스템"에 개시되어 있는 비행선의 구성이 적용된 것일 수 있다.
풍력발전 모듈(130)은 풍력 발전영역(112)에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 구비하여 풍력발전을 수행하는 것으로, 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어진다.
해상플랫폼(300)은 해상에 위치하는 것으로, 도 12에서와 같이 전력 저장장치(310), 전력선 겸용 연결케이블(400), 수소생산 플랜트(320), 중량물 연결케이블(330), 보조 발전장치(350)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
전력 저장장치(310)는 비행선 선체(110)의 솔라셀 모듈(120)과 풍력발전 모듈(130)로부터 생성되는 발전 전력이나 보조 발전장치(350)로부터 생성되는 발전 전력을 저장하는 장치이다.
전력선 겸용 연결케이블(400)은 해상플랫폼(300)과 비행선 선체(110)를 연결시키는 한편, 솔라셀 모듈(120)과 풍력발전 모듈(130)로부터 생성되는 발전 전력을 해상플랫폼(300)의 전력 저장장치(310)로 전달하게 된다.
수소생산 플랜트(320)는 해수를 전기분해하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 저장하는 플랜트로서, 전력 저장장치(310)로부터 전력을 공급받아 해수의 전기분해를 수행하게 된다. 여기서 수소생산 플랜트(320)를 구비하는 본 발명의 실시예에 따른 해상플랫폼(300)은 본 출원인에 의해 출원된 등록특허공보 등록번호 제10-1716487호 "이중 튜브 구조의 비행선 및 그를 이용한 전기에너지 공급 및 수소 가스 운송시스템"에 개시되어 있는 선박의 구성이 적용된 것일 수 있다.
중량물 연결케이블(330)은 전력선 겸용 연결케이블(400)과 일체로 연결되는 케이블로서, 중량물(340)이 끝단에 결합되어 수중으로 투입되고, 바람에 의한 비행선(100)의 길이방향 전후진에 대응하여 수중에서 상하이동하게 된다.
보조 발전장치(350)는 해상플랫폼(300)에 배치되는 것으로, 도 13에서와 같이 전력선 겸용 연결케이블(400)과 중량물 연결케이블(330)이 감겨져 전력선 겸용 연결케이블(400)과 중량물 연결케이블(330)의 움직임에 따라 회전운동하면서 발전을 수행하게 된다. 이를 위하여 보조 발전장치(350)는 회전원통 형상으로 이루어질 수 있다. 풍력발전 용량은 수직축 풍력발전기(150)를 구성하는 블레이드(153) 면적에 비례하고, 본 발명의 실시예에 따른 비행선 선체(110)는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)가 장착되는 구조를 통해 상당한 크기의 풍력을 비행선 선체(110) 자체가 받게 되는데, 이와 같은 비행선 선체(110) 자체가 받는 풍력을 에너지화시키기 위한 것이 보조 발전장치(350)이다.
여기서 해상플랫폼(300)은 접이안 시설을 구비하여 수소생산 플랜트(320)에 저장된 수소를 육지로 이송할 수 있도록 하는데, 해상플랫폼(300)은 추진장치가 구비되어 자체 항해가 가능한 선박 또는 바지선 구조를 가짐으로써 기상이 안정되고 유리한 지역을 선택하여 항해 후, 수소를 육지로 전달하게 된다. 수소를 통해 간접적으로 전력을 육지로 전달하는 구조임에 따라 해상플랫폼(300)과 육지를 연결하는 전력케이블을 구비할 필요가 없어진다. 또한 해상플랫폼(300)은 파력 발전, 조력 발전 등의 신재생에너지 생산설비를 추가적으로 구비할 수 있고, 이를 통해 전력 생산의 대형화를 도모할 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템은 도 14와 도 15에서와 같이 복수개의 구형 돛(170)을 구비하게 된다.
구형 돛(170)은 도 14에서와 같이 비행선 선체(110)의 상부면에 이격 배치되는 것으로, 비행선 선체(110)에 최대 풍압이 부여되도록 하거나 최소 풍압이 부여되도록 한다. 이를 위하여 구형 돛(170)은 도 15에서와 같이 설정영역이 요입되어 최대 풍압을 받는 요입면(171)을 갖는 구형상으로 이루어지고, 비행선 선체(110)의 상부면에 회전가능하게 고정된다. 구형 돛(170)은 별도의 회전유도용 액추에이터와 연결되어 회전유도용 액추에이터에 의해 회전하거나 정위치를 유지하게 된다. 여기서 회전유도용 액추에이터로는 서보모터나 스텝모터가 사용될 수 있다. 또한 회전유도용 액추에이터는 구동모터, 감속기, 기어열의 조합으로 구성될 수도 있다.
구형 돛(170)의 정회전시 요입면(171)이 비행선 선체(110) 상부면 전방을 향하도록 배치되어 최대 풍압을 받게 되는데, 이 경우 비행선 선체(110)는 길이방향으로 후진하면서 전력선 겸용 연결케이블(400)과 중량물 연결케이블(330)을 비행선 선체(110) 방향으로 당기면서 보조 발전장치(350)의 회전을 유도하게 된다. 이 과정에서 보조 발전장치(350)가 발전을 수행하게 된다. 구형 돛(170)의 역회전시 요입면(171)이 비행선 선체(110)의 상부면 하측 내부공간으로 삽입되도록 배치되어 최소 풍압을 받게 되는데, 이 경우 비행선 선체(110)는 움직임이 최소화되면서 정위치를 유지하게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템은 도 16에서와 같이 제1리미트 스위치(500), 제2리미트 스위치(600), 컨트롤러(700)를 구비한다.
제1리미트 스위치(500)는 전력선 겸용 연결케이블(400)의 설정지점에 배치되는 것으로, 비행선 선체(110) 방향으로 당겨지는 전력선 겸용 연결케이블(400)이 접촉하여 제1접촉신호를 생성하게 된다. 제2리미트 스위치(600)는 중량물 연결케이블(330)의 설정지점에 배치되어 하강동작에 의해 당겨지는 중량물 연결케이블(330)이 접촉하여 제2접촉신호를 생성하게 된다. 컨트롤러(700)는 제1리미트 스위치(500)와 제2리미트 스위치(600)로부터 제1접촉신호와 제2접촉신호를 수신받게 되는 것으로, 제1접촉신호 수신시 구형 돛(170)을 역회전시키는 한편, 제2접촉신호 수신시 구형 돛(170)을 정회전시키게 된다. 이를 통해 비행선 선체(110)가 반복적으로 길이방향으로 전후진하면서 보조 발전장치(350)를 통한 발전이 지속적으로 수행될 수 있게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템은 비행선을 해상플랫폼(300)에 연결시키는 전력선 겸용 연결케이블(400)이 감겨져 회전하게 되는 회전원통 구조의 보조 발전장치(350)가 해상플랫폼(300)에 설치되도록 하므로, 수직축 풍력발전기(150)를 장착한 비행선 선체(110) 주변의 공기유동 변동에 의한 비행선 선체(110)의 전후방향 움직임으로부터도 전력생산이 이루어져 발전형태의 다양화와 발전량의 증대가 도모될 수 있게 된다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 및 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100 : 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선
110 : 비행선 선체
111 : 태양광발전 주영역
112 : 풍력 발전영역
120 : 솔라셀 모듈
130 : 풍력발전 모듈
140 : 수직축 풍력발전기 조립체
150 : 수직축 풍력발전기
151 : 수직회전축
152 : 발전기
1521 : 축홈
1522 : 축연결단
153 : 블레이드
160 : 연결체
161 : 양단 고정구
162 : 판 스프링
170 : 구형 돛
171 : 요입면
200 : 솔라셀 패널 루프
210 : 루프 전면체
220 : 루프 후면체
230 : 루프 측면체
240 : 루프 상면체
250 : 솔라셀 곡면패널
300 : 해상플랫폼
310 : 전력 저장장치
320 : 수소생산 플랜트
330 : 중량물 연결케이블
340 : 중량물
350 : 보조 발전장치
400 : 전력선 겸용 연결케이블
500 : 제1리미트 스위치
600 : 제2리미트 스위치
700 : 컨트롤러

Claims (7)

  1. 상공에 위치하고, 태양광이 조사되는 상부면이 태양광발전 주영역(111)을 이루는 한편 하부면이 풍력 발전영역(112)을 이루는 비행선 선체(110);
    상기 비행선 선체(110)의 태양광발전 주영역(111)에 배치되어 태양광발전을 수행하는 솔라셀 모듈(120); 및
    상기 풍력 발전영역(112)에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 포함하여 풍력발전을 수행하되, 상기 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어지는 풍력발전 모듈(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수직축 풍력발전기(150)는,
    중공(中空) 단면의 축으로 수직 배치되는 수직회전축(151);
    상단에 축홈(1521)이 형성되어 상기 수직회전축(151)의 하단 부위가 상기 축홈(1521)에 삽입되도록 하고, 상기 수직회전축(151)의 회전에 따라 발전 전력을 생성시키며, 상단 부위보다 작은 크기의 하단 부위가 축연결단(1522)으로 이루어져 상기 하단 부위에 연결되는 수직축 풍력발전기(150)의 수직회전축(151)에 상기 축연결단(1522)이 삽입되도록 발전기(152); 및
    상기 수직회전축(151)에 방사상으로 연결되는 복수의 블레이드(153);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력발전 모듈(130)은,
    수평하게 배치되고, 서로 이웃하는 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 각각 연결시키는 복수의 연결체(160)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선.
  4. 상공에 위치하고, 좌우 측방향으로 서로 이웃하여 배치되는 복수의 비행선 선체(110);
    복수의 비행선 선체(110) 상부면 전체 부위를 뒤덮게 되고, 태양광발전을 수행하는 솔라셀 패널 루프(200);
    복수의 비행선 선체(110) 하부면에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 포함하여 풍력발전을 수행하되, 상기 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어지는 풍력발전 모듈(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템.
  5. 상공에 위치하고, 태양광이 조사되는 상부면이 태양광발전 주영역(111)을 이루는 한편 하부면이 풍력 발전영역(112)을 이루는 비행선 선체(110);
    상기 비행선 선체(110)의 태양광발전 주영역(111)에 배치되어 태양광발전을 수행하는 솔라셀 모듈(120);
    상기 풍력 발전영역(112)에 배치되는 복수의 수직축 풍력발전기 조립체(140)를 포함하여 풍력발전을 수행하되, 상기 수직축 풍력발전기 조립체(140)는 상하방향으로 직렬연결되는 복수의 수직축 풍력발전기(150)로 이루어지는 풍력발전 모듈(130);
    해상에 위치하고, 전력 저장장치(310)가 설치되는 해상플랫폼(300); 및
    상기 해상플랫폼(300)과 비행선 선체(110)를 연결시키고, 상기 솔라셀 모듈(120)과 풍력발전 모듈(130)로부터 생성되는 발전 전력을 상기 해상플랫폼(300)의 전력 저장장치(310)로 전달하는 전력선 겸용 연결케이블(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 해상플랫폼(300)은,
    상기 전력선 겸용 연결케이블(400)과 일체로 연결되고, 중량물(340)이 끝단에 결합되어 수중으로 투입되며, 바람에 의한 상기 비행선(100)의 길이방향 전후진에 대응하여 수중에서 상하이동하는 중량물 연결케이블(330); 및
    상기 해상플랫폼(300)에 배치되고, 상기 전력선 겸용 연결케이블(400)과 중량물 연결케이블(330)이 감겨져 상기 전력선 겸용 연결케이블(400)과 중량물 연결케이블(330)의 움직임에 따라 회전운동하면서 발전을 수행하는 보조 발전장치(350);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 비행선 선체(110)의 상부면에 이격 배치되어 상기 비행선 선체(110)에 최대 풍압이 부여되도록 하거나 최소 풍압이 부여되도록 하는 복수개의 구형 돛(170)을 더 포함하되,
    상기 구형 돛(170)은 설정영역이 요입되어 최대 풍압을 받는 요입면(171)을 갖는 구형상으로 이루어지고, 상기 비행선 선체(110)의 상부면에 회전가능하게 고정되며, 정회전시 상기 요입면(171)이 상기 비행선 선체(110) 상부면 전방을 향하도록 배치되어 최대 풍압을 받게 되는 한편 역회전시 상기 요입면(171)이 상기 비행선 선체(110)의 상부면 하측 내부공간으로 삽입되도록 배치되어 최소 풍압을 받게 되는 것을 특징으로 하는 태양광-풍력 하이브리드 발전형 비행선 기반 복합발전시스템.
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